Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ conducting polyme

Nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu tàng hình từ conducting polyme

I - Mở đầu

Theo nguyên lý Maxwell khi ánh sáng chiếu v o vật thể thì sẽ xảy ra ba khả năng lphản xạ, hấp thụ v truyền qua Vật liệu t ng hình l vật liệu hấp thụ phần lớn sóng rada đi v o v hạn chế mức thấp nhất sóng rada phản xạ lại Nh7 vậy t ng hình l quá trình giảm thiểu hình dạng của vật thể cần trinh sát trên m n hình rada Việc tạo đ7ợc t ng hình cho máy bay, t u chiến đ7ợc thực hiện qua nhiều giải pháp công nghệ Hình dạng bề ngo i l msao giảm diện tích tiếp xúc sóng rada, động cơ, máy móc khí t i v cuối cùng l lớp sơn phủ hấp thụ sóng rada Loại máy bay, t u chiến t nghình đD đ7ợc chế tạo nh7 máy bay F117, B2 Hiện tại vật liệu t ng hình đang đ7ợc nhiều n7ớc nh7 Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc tập trung nghiên cứu

Vật liệu t ng hình trên cơ sở conducting polyme lần đầu tiên đ7ợc hDng máy bay Lockheed phát hiện v o năm 1986 Từ đó các phòng thí nghiệm của các viện nghiên cứu h ng đầu trên thế giới cũng nh7 của các cơ sở nghiên cứu quân sự của Nato, phòng thí nghiệm LosAlamos của Mỹ, phòng thí nghiệm DSTO của úc (Defence Science and Technology

Organisation), các phòng thí nghiệm của Châu Âu, Nga, Nhật, Trung Quốc, H n Quốc tập trung nghiên cứu về loại vật liệu mới đầy hấp dẫn n y Các kết quả nghiên cứu ít đ7ợc công bố hoặc công bố một cách sơ l7ợc [1 - 3]

Conducting polyme l vật liệu có khả năng hấp thụ sóng điện từ, rada vì trong cấu trúc phân tử có liên kết đôi liên hợp chứa các điện tử

tự do Khi có bức xạ sóng điện từ, các điện tử linh động nhận năng l7ợng sóng đ7ợc hoạt hóa lên trạng thái kích động theo nguyên lý của Jablonsky Quá trình n y l m thay đổi tổng trở, thay đổi hằng số điện môi, độ từ thẩm của vật liệu Từ trạng thái kích động điện tử trở về trạng thái cơ bản v giải tỏa năng l7ợng Năng l7ợng n y l m nóng vật liệu hấp thụ Nh7 vậy về vật lý quá trình t ng hình l quá trình chuyển hóa năng l7ợng sóng rada sang năng l7ợng nhiệt Với những đặc tính 7u việt nh7 độ dẫn cao có thể thay đổi, cùng với sự dễ d ng trong sản xuất với h m l7ợng nhỏ trong th nh phần tổ hợp compozit, ph7ơng pháp phủ đơn giản vnhất l có thể phủ đ7ợc nhiều lớp của conducting polyme nên polyme dẫn đD đ7ợcnghiên cứu nhiều để l m vật liệu t ng hình ở dải sóng rada rộng từ 500 MHz đến 100 GHz [4]

ErEiZoSóng rada

dII - Nguyên liệu v thí nghiệm

1 Nguyên liệu

Vật liệu t ng hình hấp thụ sóng rada đ7ợcchế tạo từ conducting polyme đ7ợc phân tán đều trong polyme nền tạo th nh vật liệu composit Các tấm t ng hình thí nghiệm hấp thụ sóng rada đ7ợc chế tạo trên đế vải polyeste, vải thủy tinh hoặc tấm kim loại có độ rộng 23 ì30(cm) đ7ợc phủ vật liệu conducting polyme compozit Độ d y của tấm phủ từ 0,2 - 1 mm [5]

Hình 1 l sơ đồ tấm m n chắn bằng vật liệu t ng hình hấp thụ sóng rada Trong sơ đồ n y

nếu ta giả định tia bức xạ sóng rada đến thẳng góc với m n chắn với c7ờng độ l Ein Một phần sóng phản hồi trở lại với c7ờng độ l ERv tổn hao phản hồi (Reflection loss) l R, một phần bị hấp thụ khi đi qua vật liệu với c7ờng độ hấp thụ EAv tổn hao hấp thụ (Absorption loss) A, cuối cùng mới đến vật đ7ợc che chắn Khả năng t ng hình của vật liệu hay l hiệu quả che chắn (shielding effective) SE của nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ theo công thức:

Vật liệu t ng hình hoạt động có hiệu quả khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A phải lớn Trên thực tế nếu tổn hao phản hồi khoảng -20 dB, tổn hao hấp thụ A -9 dB thì hiệu quả t ng hình của vật thể đạt trên 99% hay độ phản xạ trở lại trên m n hình rada còn d7ới 1%

Trong công trình n y chúng tôi nghiên cứu tính chất hấp thụ sóng rada của vật liệu t ng hình qua tổn hao hấp thụ , tổn hao phản hồi vmối quan hệ với độ d y, tính chất điện từ của m ng trong dải tần từ 500 MHz đến 20 GHz

Hình 1: Sơ đồ thí nghiệm đo tính chất hấp thụ

sóng rada của vật liệu t ng hình

2345678910 11 12 13 14 15 16 17 181 6

1 6 51 71 7 51 81 8 51 91 9 52

23456789101112 13141516 1718

Tấm phủ t ng hình đ7ợc chế tạo trên nền đế

phủ m ng mỏng trên tấm đế vải Các mẫu phủ một lớp, phủ hai lớp, phủ ba lớp, mỗi lớp độ d ykhoảng 0,2 mm Sau đó tiến h nh đo sự thay đổi hằng số điện môi trong dải tần từ 50 MHz - 20 GHz Kết quả nh7 đồ thị hình 2, 3 v 4.

Từ kết quả n y cho thấy mỗi tấm vải có phủ lớp CP có sự biến thiên của hắng số điện môi theo tần số sóng rada bức xạ Hình 2a l biến thiên của ’ có cực tiểu ở tần số 6 - 7 GHz v13 - 14 GHz Tấm thứ hai có độ d y gấp hai lần tấm thứ nhất Sự biến đổi của ’ thấy rõ nét với điểm cực tiểu ở 3 - 4 GHz v ở 11 - 12 GHz (hình 3a) Tấm thứ ba có độ d y gấp 3 lần Sự biến thiên hằng số điện môi có cực tiểu ở khoảng 3 GHz v 10 GHz (hình 4a) Bằng những mẫu n y cũng biểu hiện rõ sự biến thiên hằng số điện môi phần ảo ( ”) trong dải sóng 500 MHz - 20 GHz Ng7ợc với phần đồ thị hằng số điện môi phần thực ( ’), phần hằng số điện môi phần ảo ( ”) biểu hiện quá trình hấp thụ sóng điện từ có điểm cực đại trong dải tần khác nhau:

ởtấm phủ 1 lớp điểm cực đại ở dải tần 5 - 6 GHz v 14 - 15 GHz (hình 2b),

ởtấm phủ 2 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 - 9 GHz v 14 - 15 - 16 GHz (hình 3b),

ởtấm phủ 3 lớp điểm cực đại ở dải tần 7 - 8 - 9 GHz v 15 - 16 - 17 GHz (hình 4b)

Nh7 vậy với tấm phủ c ng d y sự thay đổi của complex permeability có điểm cộng h7ởng chuyển dịch về khu vực có tần số thấp Tấm phủ c ng d y thì điểm cộng h7ởng chuyển dịch về khu vực tần số cao hơn

b) Xác định khả năng tBng hình của vật liệu tBng hình (SE) qua tổn hao phản hồi R vBtổn hao hấp thụ A

Khả năng t ng hình của vật liệu hay hiệu quả che hữu chắn (shielding effective: SE) của nó đ7ợc tính bằng tổng tổn hao phản hồi v tổn hao hấp thụ theo công thức:

SE (dB) = R + A

Vật liệu t ng hình hoạt động có hiệu quả khi tổn hao phản hồi R v tổn hao hấp thụ A phải lớn Trên thực tế nếu giá trị SE {2} dB thì hiệu quả t ng hình đạt 99% hay độ phản xạ trở lại m n hình rada còn 1% Hình 5 l kết quả khảo sát độ che chắn của vật liệu t ng hình phủ trên lớp polyeste với độ d y khác nhau

Độ che chắn hay khả năng t ng hình của lớp vải ngụy trang phủ 1 lớp vật liệu t ng hình

trên hình 5a Dải tần số,

GHz

Độ che chắn, dB

Khả năng t ng hình, %

Độ che chắn hay khả năng t ng hình của lớp vải ngụy trang phủ 2 lớp vật liệu t ng hình trên hình 5b

Dải tần số, GHz

Độ che chắn, dB

Khả năng t ng hình, %

Độ che chắn hay khả năng t ng hình của lớp vải ngụy trang phủ 3 lớp vật liệu t ng hình trên hình 5c

Dải tần số, GHz

Độ che chắn, dB

Khả năng t ng hình,% 7 - 10 21,0 99

Độ che chắn ở lớp vải phủ 1 lần vật liệu t ng hình Độ che chắn đạt cực đại ở dải sóng 6 - 7 GHz với c7ờng độ l 5 dB v ở 12 GHz đạt 4,2 dB đ7ợc trình b y trên hình 5a

Độ che chắn ở lớp vải phủ 2 lần vật liệu t ng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn 9,5 dB, ở 16 GHz đạt 9,2 dB đ7ợc trình b y trên hình 5b

Độ che chắn ở lớp vải 3 lần phủ vật liệu t ng hình, độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn đạt cực đại ở 8 - 9 GHz với độ che chắn 21 dB v ở 16 GHz độ che chắn đạt 19,5 dB đ7ợc trình b y trên hình 5c

Với kết quả n y cho phép chế thử v thử nghiệm tấm phủ t ng hình hoặc khí t i t ng hình với độ phản xạ d7ới 1%

IV - Kết luận

Vật liệu t ng hình l vật liệu kỹ thuật cao đ7ợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, thông tin v quốc phòng B7ớc đầu đề t i đDth nh công trong việc:

23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18

23456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Hình th nh công nghệ chế tạo vật liệu t ng hình để l m tấm phủ ngụy trang

ĐD nghiên cứu tính chất của vật liệu t ng hình qua sự biến đổi hằng số điện môi, độ tổn hao c7ờng độ sóng rada trong các dải tần khác nhau từ 500 MHz đến 20 GHz

Tạo đ7ợc tấm t ng hình có độ che chắn SE >{20}dB Vật liệu n y có thể triển khai thử nghiệm ở quy mô lớn

Hình 5c: Khả năng t ng hình của mẫu phủ 3 lớp vật liệu t ng hình

Lời cảm ơn: Đề tBi khoa học nBy đ>ợc sự giúp

đỡ về kinh phí vB chỉ đạo trực tiếp của Ban chủ nhiệm ch>ơng trình vật liệu - Trung tâm KHTN&CNQG, ch>ơng trình nghiên cứu cơ bản của NhB n>ớc Chúng tôi xin chân thBnh cảm ơn Giáo s>, Viện sỹ Nguyễn Văn Hiệu vBBan chủ nhiệm ch>ơng trình, phân viện Rada bộ Quốc phòng đ_ giúp đỡ chúng tôi hoBnthBnh công trình nBy

T i liệu tham khảo

1 A Feldblume and et al J Polym Sci Polym Phys Ed - 19, P 173 - 179 (1981)

2 P T C Wong, B Chauber, Electronics Lett., 28, P 1651 - 1655 (1992)

3 Van Tan Truong, SPIE Vol 3241, P 98 - 125 (1997)

4 Hans H Kuhn and et al Eletrically Conducting Textiles

5 Nguyễn Đức Nghĩa v nnk Hội nghị Vật lý chất rắn to n quốc - Nha Trang (2001) 6 Hyung Do Choi and et al Polyme (Korea),

Vol 20, No 4, P 658 - 663 (1996)

7 Carl Maggiore and et al J Mater Chem, Vol 3 No 6, P 563 - 569 (1993)

2345678910 11 12 13 14 15 16 17 18-10

2345678910 11 12 13 14 15 16 17 18